JP2000304732A

JP2000304732A - ガス濃度センサ

Info

Publication number: JP2000304732A
Application number: JP11198028A
Authority: JP
Inventors: Hideki Ishikawa; 秀樹石川; Yoshikuni Sato; 美邦佐藤; Keigo Tomono; 圭吾伴野; Noboru Ishida; 昇石田; Takafumi Oshima; 崇文大島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-02-15
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2000-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス濃度を高精度に測定することができるガ
ス濃度センサを提供すること。【解決手段】反射面３４における測定室３２の側壁と
接する縁部に、底面が反射面３４と略平行となるよう凹
部３４ａを形成し、反射面３４の縁部と超音波素子３３
との距離を、反射面３４の中央部と超音波素子３３との
距離より長くする。この結果、測定室３２の側壁に斜め
に入射し、測定室３２の側壁に沿って伝播する異経路波
は、凹部３４ａの底面に反射されて伝播する。即ち、反
射面３４が平面の場合に比べ、この異経路波の伝播距離
は長くなるので、この異経路波が直波の変調点付近で合
成されることはない。つまり、直波の変調点の検出を正
確に行うことができるので、送受信波の変調点間の時間
を超音波の伝播時間として測定することができ、精度の
高いガス濃度の測定が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば内燃機関用
エンジンの吸気管へ供給される例えば吸入空気中の蒸発
燃料等の可燃性ガスのガス濃度、又は、燃料電池の燃料
ガス中若しくは排出ガス中のガス成分のガス濃度を測定
するガス濃度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り、燃料タンクからエンジンへの燃料の供給系として
は、燃料タンクからフューエルポンプにより汲み上げた
燃料を、燃料配管を介してインジェクタへ送る第１の供
給系がある。

【０００３】また、これとは別に、燃料タンク内に発生
する蒸発燃料をキャニスタで一時的に吸着し、このキャ
ニスタに溜まった燃料をパージして、パージガスとして
吸気管へ送る第２の供給系がある。従って、エンジンで
は、インジェクタからの噴射燃料に加えて、パージガス
等の蒸発燃料（以下単にパージガスと記す）を、シリン
ダ内で燃焼させるようになっている。

【０００４】この様に、噴射燃料とは別にパージガスを
エンジンに供給することにより、燃焼制御において空燃
比が理論空燃比からズレてしまうと、触媒のＣＯ，Ｈ
Ｃ，ＮＯｘの浄化能力が激減することになり、その結
果、排出ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等が増加してしま
う。

【０００５】従って、例えばエンジンの始動時、特に触
媒不活性時において、燃焼用主燃料系としてパージガス
を使用するためには、パージガスの濃度を高精度で測定
し、且つその供給量を最適に制御することが極めて重要
である。パージガスの測定用センサとしては、例えば超
音波を利用したもの（超音波センサ）が考えられ、その
開発が進められているが、必ずしも十分ではない。

【０００６】つまり、この種の超音波センサには、超音
波素子に変調点を有する超音波を送受信させ、送受信波
の変調点間の時間（つまり、超音波の伝播時間）に基づ
いてパージガスの濃度を検出するものがあるが、超音波
素子にて実際に受信される超音波は、音圧が最も高く、
最短経路を辿って伝播する成分（直波）と、音圧が比較
的低く、直波より伝播距離が長い成分（異経路波）との
合成波となる。

【０００７】即ち、直波より若干遅れて伝播する異経路
波が、直波の変調点付近で合成され、測定対象である直
波の変調点の検出が困難となり、直波の伝播時間を正確
に測定できないという問題があった。従って、パージガ
スの濃度の測定結果に基づいて、パージガスの濃度の制
御を精度良く行なうことが極めて難しいという問題があ
った。

【０００８】また、近年では、自動車用のクリーンな動
力源として燃料電池の開発が盛んに行われている。この
燃料電池には溶融炭酸塩型やリン酸型等の方式がある
が、起動・停止の容易さや高出力密度、小型軽量である
等の利点を有する高分子電解質型（ＰＥＦＣ）が特に注
目されている。

【０００９】高分子電解質型燃料電池は水素をその燃料
とするが、この水素はメタノールの改質ガスとして改質
機を通して得るのが一般的手法とされている。この際、
より効率的な発電のためにこの改質ガス中の水素濃度を
測定することは極めて重要である。この水素濃度を測定
するガス濃度センサは、可燃ガス中での使用が前提とさ
れるため、その作動温度が低いことが望まれている。こ
のような例としては、特公平７−３１１５３号公報にプ
ロトン導電体膜を用いたセンサ等が開示されているが、
完全に非加熱なものではない。また、ナフィオンを電解
質とした電流測定方式のセンサ等も提案されているが、
燃料始動時に大量に発生するＣＯにより電極が被毒し、
また湿度依存も大きい等の問題がある。

【００１０】ところで、このような非加熱でガス濃度を
検知し、雑ガス成分による被毒や湿度依存を減じる方法
として、上記エンジンに使用したような超音波センサを
利用する手法も提案されている。しかしながら、特に水
素ガスのように分子量の小さいガス成分を検出対象とす
る場合には音速が極めて高速となり、異経路波が直波に
重なる可能性が高いため変調点を検出することが困難と
なり、伝播時間測定の困難性が一層顕在化してくるとい
う問題が生じた。

【００１１】さらに、このように高速の音波を受信する
に際しては、超音波の送信時に発生したコントローラの
スイッチングノイズや超音波の残響までもが、反射面か
ら返ってきた受信波に重なり、受波が妨げられるという
問題があった。本発明は前記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、直波の伝播時間を正確
に測定することができ、例えばパージガスのような特定
ガス、あるいは燃料電池に使用される特定ガス等のガス
濃度を高精度に測定することができるガス濃度センサを
提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び効果】前記目的を達成
するための請求項１の発明は、被測定ガスを流入出させ
る流入孔及び流出孔を備えた測定室と、該測定室内で互
いに対向する２カ所の壁面の内の一方に設けられ、他方
の壁面に向けて超音波を送信すると共に、該壁面を反射
面として反射してくる超音波の反射波を受信可能な超音
波素子と、該超音波素子に対して、少なくとも一つの変
調点を有する超音波を送信させると共に前記反射波を受
信させ、前記超音波の送信時から前記反射波の受信まで
の伝播時間を前記変調点を利用して計測し、該伝播時間
に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガスのガス濃度を
検出するガス濃度検出手段と、を備えるガス濃度センサ
において、前記測定室を、前記反射面の縁部と前記超音
波素子との距離が、前記反射面の中央部と前記超音波素
子との距離より長くなるよう形成したことを特徴とする
ガス濃度センサを要旨とする。

【００１３】この様に、請求項１に記載のガス濃度セン
サでは、反射面の縁部と超音波素子との距離を、反射面
の中央部と超音波素子との距離より長くしている。これ
により、測定室の側壁に沿って伝播する異経路波の伝播
距離は長くなるので、異経路波が、直波の変調点付近で
合成されることをなくすことができる。

【００１４】つまり、直波の変調点の検出を正確に行う
ことができるので、正確な伝播時間の測定ができ、精度
の高いガス濃度の測定が可能となる。そして、この高い
精度の測定結果に基づいて、精密にガス濃度を調節する
ことにより、例えば、空燃比制御等を好適に行うことが
できる。

【００１５】また、請求項２の発明は、被測定ガスを流
入出させる流入孔及び流出孔を備えた測定室と、該測定
室内で互いに対向する２カ所の壁面の内の一方に設けら
れ、他方の壁面に向けて超音波を送信すると共に、該壁
面を反射面として反射してくる超音波の反射波を受信可
能な超音波素子と、該超音波素子に対して、少なくとも
一つの変調点を有する超音波を送信させると共に前記反
射波を受信させ、前記超音波の送信時から前記反射波の
受信までの伝播時間を前記変調点を利用して計測し、該
伝播時間に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガスのガ
ス濃度を検出するガス濃度検出手段と、を備えるガス濃
度センサにおいて、前記測定室の前記反射面の面積を、
前記超音波素子の開口面の面積以上にしたことを特徴と
するガス濃度センサを要旨とする。

【００１６】この様に、請求項２に記載のガス濃度セン
サでは、測定室の反射面の面積を、超音波素子の開口面
の面積（詳しくは、超音波を送受信する部分の面積）と
少なくとも等しく、好ましくはより大きくしている。そ
のため、直波と平行に送信された超音波成分中に、測定
室の側壁に入射する成分はなくなるので、直波の伝播時
間に極めて近い時間で伝播する異経路波成分はなくな
る。従って、直波の変調点の検出を正確に行うことがで
きるので、正確な伝播時間の測定ができ、精度の高いガ
ス濃度の測定が可能となる。そして、この高い精度の測
定結果に基づいて、精密にガス濃度を調節することによ
り、例えば、空燃比制御等を好適に行うことができる。

【００１７】但し、反射面の面積が、超音波素子の開口
面の面積と等しい場合は、例えば、反射面近傍にて測定
室の側壁に入射する異経路波が問題になる場合がある。
つまり、この成分は、測定室の側壁に入射した後、反射
面と超音波素子との間をこの側壁に沿って直波と平行に
伝播するため、直波の伝播時間に比較的近い時間で伝播
するのである。

【００１８】従って、より好ましくは、反射面の面積を
超音波素子の開口面の面積より大きくすれば良い。この
場合、測定室の側壁に入射する異経路波は、測定室の側
壁に入射後、反射面と超音波素子との間をこの側壁に沿
って伝播する。そのため、直波の伝播時間は、この異経
路波に比べ、十分に短くなるため、直波の変調点の検出
を一層正確に行うことができ、伝播時間の測定を正しく
行うことができる。

【００１９】なお、請求項２に記載のガス濃度センサに
おける反射面の縁部と超音波素子との距離を、請求項１
のように、反射面の中央部と超音波素子との距離より長
くすれば、前記の異経路波の伝播時間はさらに長くな
り、直波の変調点の検出精度をさらに向上することがで
きる。

【００２０】また、請求項３の発明は、前記ガス濃度検
出手段は、前記超音波素子に、少なくとも１回の周波数
変調を伴った超音波を送受信させ、前記超音波の変調点
を利用して求めた伝播時間に基づいて、前記特定ガスの
ガス濃度を検出するものであることを特徴とする請求項
１または２に記載のガス濃度センサを要旨とする。

【００２１】請求項３に記載のガス濃度センサは、請求
項１または２の発明を例示したものである。例えば、周
波数をＦ１からＦ２に１回だけ変調した超音波を送信す
ると、受信波にも、その周波数変化が反映される。従っ
て、例えば、直波における周波数の切換点（つまり、送
信波−反射波の各々の変調点）間の時間を測定すれば、
伝播時間が判る。つまり、信号の強弱にかかわらず、正
確に超音波の伝播時間を測定することができる。

【００２２】また、請求項４の発明は、前記ガス濃度検
出手段は、前記超音波素子に、少なくとも１点の逆位相
成分を入れた超音波を送受信させ、前記超音波の変調点
を利用して求めた伝播時間に基づいて、前記特定ガスの
ガス濃度を検出するものであることを特徴とする請求項
１または２に記載のガス濃度センサを要旨とする。

【００２３】請求項４に記載のガス濃度センサは、請求
項１または２の発明を例示したものである。例えば、１
点の逆位相成分（１８０度）を導入した超音波を送信す
れば、送信波の逆位相ポイントには、信号波形が表れな
い。そして、この逆位相ポイントは受信波である反射波
にも反映され、信号波形がない箇所が表れる。従って、
例えば、直波における逆位相ポイント（つまり、送信波
−反射波の各々の信号波形がない箇所）間の時間を測定
すれば、伝播時間が判る。つまり、信号の強弱にかかわ
らず、正確に超音波の伝播時間を測定することができ
る。

【００２４】なお、送信波に導入する変調点としては、
一般的な位相変調による位相の切換点であっても良い。
つまり、超音波素子に送信させる超音波の波形に少なく
とも１箇所の位相切換点（例えば、位相をθ度から（θ
＋１８０）度に切換えた点）を導入すれば、受信波にも
この位相切換点が反映されて表れる。従って、例えば、
直波における位相切換点（つまり、送信波−反射波の各
々の位相切換点）間の時間を測定すれば、伝播時間が判
る。つまり、信号の強弱にかかわらず、正確に超音波の
伝播時間を測定することができる。

【００２５】また、請求項５の発明は、前記ガス濃度検
出手段は、前記超音波素子より超音波を送信させ、該超
音波を前記反射面にて反射させた後、前記超音波素子側
にて反射させて再度反射面にて反射させ、最初の反射波
より後の反射波の受信までの伝播時間を計測し、該伝播
時間に基づいて、前記特定ガスのガス濃度を検出するも
のであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
載のガス濃度センサを要旨とする。

【００２６】請求項５に記載のガス濃度センサは、請求
項１〜４のいずれかの発明において、超音波の伝播時間
をより高精度に測定するものである。例えば、経時劣化
等により超音波素子の例えばモールド材の特性が変化し
た場合には、劣化品において最初の反射波（第１反射
波）の伝播時間は、新品の第１反射波の伝播時間と比べ
て長くなるので、新品の第１反射波の伝播時間に基づい
て、特定ガスのガス濃度を測定すると、正確にガス濃度
を検出できない。一方、最初の反射波より後の反射波
（例えば第２反射波）は、単に超音波素子の表面で反射
するだけであり素子内部の構造に影響されないので、図
９に図示する様に、センサが劣化した場合でも、その伝
播時間の変動は少なく、劣化の影響が少ない。

【００２７】そこで、請求項５に記載のガス濃度センサ
では、劣化の影響を受け易い最初の反射波（第１反射
波）ではなく、劣化の影響を受け難い第２反射波以降の
反射波の伝播時間に基づいて、特定ガスのガス濃度を検
出するものである。これにより、精度の高いガス濃度の
測定ができ、よって、この高い精度の測定結果に基づい
て、精密にガス濃度を調節することにより、例えば空燃
比制御等を好適に行うことができる。

【００２８】また、請求項６の発明は、前記特定ガス
が、内燃機関用エンジンの蒸発燃料であることを特徴と
する前記請求項１〜５のいずれかに記載のガス濃度セン
サを要旨とする。請求項６に記載のガス濃度センサは、
ガス濃度センサの測定対象の特定ガスの種類を例示した
ものである。ここでは、特定ガスとして、パージガス等
の蒸発燃料を測定対象としている。これにより、燃料ガ
スのガス濃度を正確に測定できるので、空燃比制御等を
好適に行うことができる。

【００２９】ところで、受信波形には、図２１に模式的
に示すように、その波形成分として直波、異経路波の他
にも、送信時に発生したコントローラのスイッチングノ
イズや超音波の残響等が現れる。図２１（ａ）に示すよ
うに音速が十分に小さい場合には、これらの各波形成分
が一定の間隔をもって表れるため、各々の波形位置を明
瞭に把握することができる。このため、直波を基準とし
た伝播時間を正確に測定することができる。

【００３０】しかしながら、図２１（ｂ）に示すよう
に、音速が特に大きいような場合には、残響成分が十分
に収束しないうちに直波が受信されてしまうため、直波
の前半部が残響成分と重なってしまう場合がある。ま
た、直波と異経路波との伝播時間の差を十分にとること
ができないため、直波の後半部に異経路波が重なってし
まう場合がある。このような場合には、送信波の特定の
波形位置に対応する直波の波形位置を検出することが困
難となるため、伝播時間の正確な測定が困難となる。

【００３１】そこで、このような問題を解決するための
具体的構成として、請求項７に記載された発明は、被測
定ガスを流入出させる流入孔及び流出孔を備えた測定室
と、該測定室内で互いに対向する２カ所の壁面の内の一
方に設けられ、他方の壁面に向けて超音波を送信すると
共に、該他方の壁面を反射面として反射してくる超音波
の反射波を受信可能な超音波素子と、該超音波素子に対
して、超音波を送信させると共に前記反射波を受信さ
せ、前記超音波の送信時から前記反射波の受信までの伝
播時間を、前記超音波の波形の特定位置を検出すること
により計測し、該伝播時間に基づいて、前記被測定ガス
中の特定ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出手段と
を備えるガス濃度センサにおいて、前記測定室を、前記
反射面の中央部と前記超音波素子との距離が６０ｍｍ以
上となるように形成したことを特徴とするガス濃度セン
サを要旨とする。

【００３２】この請求項７記載の発明は、特に、比較的
分子量が小さいガス成分の濃度を超音波センサにより測
定する場合を想定している。つまり、ガス濃度の測定の
際に音速が極めて大きくなるような場合においても、当
該ガス濃度を有効に検出することができるように、超音
波素子と反射面との距離を具体的に規定したものであ
る。

【００３３】また、この６０ｍｍという距離は、後述す
る実験結果より得られたものであるが、このように距離
を規定すると、反射波の伝播時間を十分にとることがで
きるため、送信波の残響成分が収束した後に反射波が超
音波素子に到達するようになる。この結果、残響成分が
反射波に重なることによる受波の妨害を回避することが
でき、反射波の到達を正確に検知することができる。こ
のことは、特に直波の先頭位置を基準として伝播時間を
測定する場合に都合がよい。

【００３４】しかしながら、このように反射面の中央部
と超音波素子との距離を規定するだけでは、反射波（直
波）と残響成分との重なりの問題は解決できても、直波
と異経路波との重なりの問題は解決できない。このこと
は、伝播時間の測定を直波の先頭位置を基準に行う場合
には問題とならないが、直波の変調点を基準に行う場合
には、異経路波の重なりにより当該変調点を正確に検知
できないため問題となる。

【００３５】つまり、図２２（ａ）に示すように音速が
十分に小さい場合には、各波形成分が一定の間隔をもっ
て表れるため、波形位置を明瞭に把握することができ
る。このため、伝播時間を正確に測定することができ
る。なお、この場合、請求項７記載の構成により、反射
面の中央部と超音波素子との距離が十分にとらえている
ため、伝播時間は図２１（ａ）のときよりも長くなる。

【００３６】しかしながら、図２２（ｂ）に示すように
音速が特に大きいような場合には、上記請求項７記載の
構成により、直波の前半部が残響成分と重なるという問
題が解消されても、直波と異経路波との伝播時間の差に
ついては何ら変わらないため、直波の後半部に異経路波
が重なる問題は解消されない。このため、伝播時間の測
定を直波の変調点を基準に行う場合には、送信波の特定
の波形位置に対応する直波の波形位置を検出することが
困難となり、伝播時間の測定が困難となる。

【００３７】そこで、請求項８記載の発明は、前記測定
室が、前記反射面の縁部に、該反射面に平行な底面を有
する凹部が設けられ、該凹部の底面と前記超音波素子と
の距離が、前記反射面の中央部と前記超音波素子との距
離より１８ｍｍ以上長くなるように形成されたことを特
徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のガス濃度セン
サを要旨とする。

【００３８】この請求項８記載の発明は、さらに、反射
面に形成した凹部の底面と超音波素子との距離を具体的
に規定したものであり、上記請求項７と同様、ガス濃度
の測定の際に音速が極めて大きくなるような場合におい
ても、当該ガス濃度を有効に検出できる構成を具体的に
示したものである。

【００３９】この１８ｍｍという距離も後述する実験結
果により得られたものであり、このように距離を規定す
ると、直波の伝播距離と異経路波の伝播距離との差を十
分にとることができるため、直波が到達し終わった後に
異経路波が到達するようになる。この結果、異経路波が
直波に重なることによる受波の妨害を回避することがで
き、反射波の到達を正確に検知することができる。

【００４０】請求項７及び請求項８により特定された構
成を採用した場合の受信波形が、図１７に示されてい
る。このように、音速が大きい場合においても各波形成
分が一定の間隔をもって表れるため、各々の波形位置を
明瞭に把握することができる。このため、直波を基準と
した伝播時間を正確に測定することができる。

【００４１】請求項９記載の発明は、前記特定ガスが、
水素ガスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれ
かに記載のガス濃度センサを要旨とする。請求項９に記
載のガス濃度センサは、ガス濃度センサの測定対象の特
定ガスの種類を示したものであり、特に請求項７及び請
求項８のガス濃度センサがその有効性を顕著に発揮でき
る特定ガスとして示したものである。水素ガスは分子量
が小さく、その混合比が大きくなるに従い、ガス濃度測
定の際の音速が極めて大きくなるガスの一つである。こ
の水素ガスを測定対象としたものとしては、例えば燃料
電池等が挙げられる。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガス濃度センサの
実施の形態の例（実施例）を、図面を参照して説明す
る。（実施例１）本実施例は、超音波を利用したガス濃度セ
ンサにより、蒸発燃料のガス濃度を測定するものであ
る。

【００４３】まず、本実施例におけるシステム構成を説
明する。図１はガス濃度センサを含むシステム構成図で
ある。図１に示す様に、本実施例では、エンジン１の吸
気管２には、その上流側より、吸入空気量を調節するス
ロットルバルブ３、パージガスのガス濃度を検出する第
４ガス濃度センサ２４、燃料を噴射するインジェクタ６
が配置されている。

【００４４】一方、エンジン１の排気管７には、上流側
より、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ（全領
域空燃比センサ）８、排ガスを浄化する３元触媒９が配
置されている。また、エンジン１に燃料を供給する経路
として、液体の燃料を供給する第１の供給系と、気体
（ガス）の燃料を供給する第２の供給系を備えている。

【００４５】前記第１の供給系として、ガソリンタンク
１１は、第１供給路１２及び燃料ポンプ１５を介して、
インジェクタ６に接続されている。従って、燃料は、ガ
ソリンタンク１１から、燃料ポンプ１５により、第１供
給路１２を介してインジェクタ６に供給され、インジェ
クタ６から吸気管２内に噴射供給される。

【００４６】一方、第２の供給系として、ガソリンタン
ク１１は、第２供給路１３を介してキャニスタ１４に接
続され、キャニスタ１４は、第３供給路１６及びパージ
バルブ１７を介して、スロットルバルブ３と第４ガス濃
度センサ２４との間の吸気管２に接続されている。

【００４７】また、本実施例では、前記第２供給路１
３、キャニスタ１４、キャニスタ１４からパージバルブ
１７の間の第３供給路１６には、各々蒸発燃料のガス濃
度を検出する第１ガス濃度センサ２１、第２ガス濃度セ
ンサ２２、第３ガス濃度センサ２３が配置されている。
これら第１〜第３ガス濃度センサ２１〜２３は、いずれ
か１つを配置しても良い。尚、蒸発燃料のうち、キャニ
スタ１４からパージ（蒸発による排出）されたものをパ
ージガスと称する。

【００４８】従って、ガソリンタンク１１から蒸発した
燃料は、一旦キャニスタ１４にて吸着され、このキャニ
スタ１４で適宜外気が導入されて、燃料のパージが行わ
れる。そして、パージにより発生した蒸発燃料（パージ
ガス）は、パージバルブ１７にてガス流量を調節され
て、スロットルバルブ３と第４ガス濃度センサ２４との
間の吸気管２に供給される。

【００４９】また、このシステムには、パージガスの供
給量の制御や空燃比の制御などを、電子制御装置（ＥＣ
Ｕ）２６で行なっている。このＥＣＵ２６には、第１〜
第４ガス濃度センサ２１〜２４（以下ガス濃度センサ２
５と総称する）、酸素センサ８、エアフロメータ１０等
の各種のセンサからの信号が入力するとともに、パージ
バルブ１７、スロットルバルブ３、インジェクタ６等の
各種のアクチュエータに制御信号を出力する。尚、ＥＣ
Ｕ２６は、ガス濃度センサ２５に対しても、そのオン・
オフ等の制御信号も出力する。

【００５０】次に、本実施例のガス濃度センサ２５の構
造及びその基本原理について説明する。まず、ガス濃度
センサ２５の構造を説明する。本実施例のガス濃度セン
サ２５は、圧電素子を利用して超音波を発生する超音波
式のガス濃度センサであり、特に超音波の送信と受信と
が兼用の超音波送受信素子（素子ＡＳＳＹ）を用いる。

【００５１】具体的には、図２に示す様に、ガス濃度セ
ンサ２５は、駆動・演算用回路３１と、蒸発燃料を含む
吸入空気が導入される測定室３２と、測定室３２内で対
向する２箇所の端部の一方に設けられた超音波送受信素
子（以下単に超音波素子とも記す）３３と、測定室３２
内にて超音波を反射させるため、超音波素子３３が設け
られた端部に対向する他方の端部に所定の距離Ｌだけ離
れて設けられた反射面３４と、吸入空気が流入・流出す
る流入孔３６及び流出孔３７（図中には、入口３６，出
口３７とも記す）と、から成る。なお、反射面３４にお
ける測定室３２の側壁と接する縁部には、底面が反射面
３４と略平行となるよう凹部３４ａが形成されている。
そのため、凹部３４ａの底面と超音波素子３３との距離
は、反射面３４の中央部と超音波素子３３との距離よ
り、Ｌ’だけ長くなっている。

【００５２】超音波素子３３は、圧電素子３８と、圧電
素子３８の測定室３２側の端面に接着された整合層３９
と、圧電素子３８からのセンサ出力を取り出すよう圧電
素子３８より引き出された出力取り出しリード４１と、
圧電素子３８、整合層３９及び出力取り出しリード４１
の圧電素子３８側の端部をモールド材４２にて内部で固
定する素子ケース４３と、から成る。なお、整合層３９
の測定室３２側の端面は、素子ケース４１の測定室３２
側の端面とほぼ一致するよう配置されている。また、前
記整合層３９及び素子ケース４３の測定室３２側の端面
には、耐油性及び耐熱性に優れた樹脂薄膜が接着されて
いる。

【００５３】次に、本発明のガス濃度検出手段に相当す
るガス濃度センサ２５の駆動・演算用回路３１の構成を
説明する。図３のブロック図に示す様に、ガス濃度セン
サ２５の駆動及び演算には、ＣＰＵ（マイコン）５１を
用いる。超音波の送信及び受信は、送受信切り換えスイ
ッチ（ＳＷ）５２ａ，５２ｂを用いて切り換える。

【００５４】そして、送信時には、ドライバーを用いて
超音波素子３３へ電圧を印加し、超音波の送信を行な
う。一方、受信時には、超音波素子３３にて得られた受
信波形は、アンプ（増幅ＡＭＰ）５３で所定の増幅が施
され、コンパレータ５４を通して整形された波形の信号
は、ＣＰＵ５１内部に導入される。ＣＰＵ５１では、タ
イマーを用いて伝播時間を測定し、この測定結果をマッ
プに参照して濃度に換算し、その濃度を例えば図示しな
い表示装置等に出力する。

【００５５】次に、ガス濃度センサ２５の基本原理につ
いて説明する。なお、図４では、説明のために、送信部
２５ｂと受信部２５ａとを別体に示しているが、本実施
例では、送信と受信との兼用素子を用いる。図４に示す
様に、ガス濃度センサ２５を用いて濃度測定を行なう場
合には、送信部２５ｂから超音波を送信し、その超音波
を受信部２５ａにより受信する。このとき、送信波形と
受信波形との間には、例えば吸入空気中のパージガスの
ガス濃度に応じて伝播時間のズレがある。例えば図４
（ａ）に示す様に、パージガスのガス濃度が低い場合に
は、送信波形と受信波形とのズレである伝播時間Ｔ1は
小さく、一方、図４（ｂ）に示す様に、パージガスのガ
ス濃度が高い場合には、伝播時間Ｔ2は大きい。従っ
て、この伝播時間に対応したセンサ出力を取り出すこと
により、ガス濃度を検出することができる。

【００５６】例えば蒸発燃料の主成分であるブタンを用
いて測定した場合には、センサ出力とブタンのガス濃度
との間には、図５に示すように、ほぼ比例関係がある。
従って、センサ出力が得られれば、そのセンサ出力か
ら、パージガスの濃度を検出することができる。

【００５７】次に、前記ガス濃度センサ２５にて、前記
基本原理を用いて、実際に蒸発燃料（パージガス）のガ
ス濃度を測定する方法を説明する。まず、超音波の伝播
時間からガス濃度を算出するための演算式の例について
説明する。

【００５８】本実施例では、図６（ａ）に示す様に、超
音波の送信波に、Ｆ１とＦ２という２種類の周波数成分
を含めて送信を行う。即ち、送信周波数をＦ１からＦ２
に変調する。その場合には、受信波にも、その周波数変
化が反映されるので、受信波において変調点が出現する
時間を到達時間とする。つまり、周波数の切換点（例え
ば送信波−反射波の各々の変調点）間の時間を測定すれ
ば、その伝播時間が判る。

【００５９】そして、この様にして伝播時間を測定して
から、ガス濃度を示す超音波の音速Ｃを、下記式（１）
から算出する。つまり、図６（ｂ）に示す様に、超音波
素子３３の外表面（整合層３９から樹脂薄膜を隔てたの
表面）と反射面３４との距離Ｌが既知であることから、
その距離Ｌを１往復する時間である伝播時間Ｔを測定
し、前記距離Ｌ及び伝播時間Ｔを、下記式（１）に当て
はめて、音速Ｃを算出する。

【００６０】Ｃ＝２Ｌ（素子表面から反射面の往復距離）／Ｔ（伝播時間）…（１）そして、例えば蒸発燃料の主成分であるブタンのガス濃
度Ｘｋを用いて蒸発燃料のガス濃度を測定する場合は、
下記式（２）の関係を用いて、前記式（１）で得られた
音速Ｃより蒸発燃料のガス濃度（つまり、ブタンのガス
濃度Ｘｋ）に変換する。

【００６１】

【数１】

【００６２】尚、式（２）中で、Ｒは気体定数、Ｔｇは
蒸発燃料を含んだ吸入空気の温度、Ｃｐｎは吸入空気に
含まれる第ｎ成分のガスの定圧比熱、Ｃｖｎは第ｎ成分
のガスの定積比熱、Ｍｎは第ｎ成分のガスの分子量、Ｘ
ｎは第ｎ成分のガスの混合比（換言すれば、第ｎ成分の
ガスのガス濃度）を表している。

【００６３】そして、上記式（２）の関係から、例え
ば、超音波が伝播する吸入空気中に含まれるブタン以外
のガス成分の種類及びその混合比を仮定すれば、伝播時
間Ｔ及び吸入空気温度Ｔｇに基づいて、ブタンのガス濃
度Ｘｋを測定することができる。この場合、吸入空気温
度Ｔｇが一定であれば、音速Ｃに対応したセンサ出力と
ブタンのガス濃度Ｘｋとの間には、上記したように図５
に示す様な比例関係があり、これをマップとして用いる
ことができる。従って、この音速Ｃに対応した値をセ
ンサ出力（電圧）として取り出すことにより、前記図５
に示す様なマップから、ガス濃度を求めることができる
のである。

【００６４】なお、変調点の判別は、反射面３４の縁部
に凹部３４ａが設けられているため、容易に行うことが
できる。図７は、反射面３４に凹部３４ａがある場合、
及び反射面３４が平面の場合の超音波素子３３における
受信反射波の違いを示したものである。

【００６５】図７において、経路１は、超音波素子３３
から送信される超音波のうち、音圧（感度）が最も高
く、伝播時間が短い成分（つまり、超音波素子と反射面
との間の最短経路を辿る成分であり、以下直波と記す）
の経路である。また、経路２は、超音波素子３３から送
信される超音波のうち、音圧（感度）が比較的低く、伝
播時間が長い成分（つまり、異経路を伝播する成分であ
り、以下異経路波と記す）の経路である。

【００６６】尚、音波の特性で、音響インピーダンスの
異なる物質に斜めに入射すると、その境界面（気体−固
体間の境界面、この場合は、測定室３２の側壁を指す）
を伝播する成分があることが一般的に知られており、経
路２は、その様な成分が辿る経路を示している。

【００６７】つまり、測定対象は、伝播距離が２Ｌであ
る成分、即ち直波の伝播時間である。反射面が平面であ
る従来のガス濃度センサの場合（図７（ｂ））には、直
波より若干遅れて伝播する異経路波（特に、超音波素子
３３からの送信後、反射面３４近傍にて測定室３２の側
壁に入射し、測定室３２の側壁に沿って反射面３４まで
伝播した後、反射面３４に反射され、再度測定室３２の
側壁に沿って超音波素子３３に到達する成分）が、直波
の変調点付近で合成されるため、直波の変調点の検出が
困難になり、伝播時間Ｔの測定を正確に行うことができ
ない。

【００６８】一方、反射面３４に凹部３４ａがある場合
（図７（ａ））には、反射面３４が平面の場合に比べ、
異経路波は直波よりさらに遅れて伝播する。即ち、この
場合の異経路波は、反射面３４の中央部より超音波素子
３３との距離が長い凹部３４ａの底面に反射されて伝播
するため、反射面３４が平面の場合の異経路波に比べ、
２Ｌ’だけ長い距離を伝播する。従って、この場合の異
経路波が直波の変調点付近で合成されることはなく、直
波の変調点の検出を正確に行うことができるので、正確
な伝播時間Ｔの測定をすることができる。つまり、前記
式（１）により、正確な音速Ｃが得られるので、蒸発燃
料の濃度を高精度に測定することができる。

【００６９】そして、実際の反射波の検出は、測定精度
をさらに向上するため下記のように行われる。図８
（ｂ）は、超音波素子３３における送受信波形を示す図
である。なお、ここでは、検出方法の説明のために検出
対象の直波の波形のみを示している。

【００７０】まず、超音波素子３３より周波数変調した
送信波を送信すると、その送信波は、反射面３４で反射
して、超音波素子３３にて、反射波（第１反射波）とし
て検出される。この第１反射波は、超音波素子３３の表
面で反射して、再度反射面３４にて反射し、再度超音波
素子３３にて、反射波の反射波（第２反射波）として検
出される。以下、同様な反射が繰り返されるが、伝播距
離が長くなるに従い、反射波は徐々に減衰してゆく。

【００７１】その後、最初の送信波が出力されてから所
定時間経過すると、次の送信波を送信するために送受信
切り換えスイッチ５２ａ，５２ｂが切り替えられ、図８
（ａ）に示すように、次の送信波が送信され、以後、同
様な処理が繰り返される。このとき、マイコン入力波形
（即ちコンパレータ出力）は、図８（ｃ）に示す状態と
なるので、その周波数の変調点間の時間を測定する。つ
まり、受信波を、コンパレータで所定のスレッショルド
レベルに基づいて、デジタル信号（ハイまたはローの２
値信号）に変換した後、マイコンに入力し、内部タイマ
等でデジタル信号の立ち上がり及び立ち下がり時間を測
定することにより、その変調点が判るので、各変調点間
の時間を求めることができる。

【００７２】具体的には、まず、送信波の変調点から第
１反射波の変調点までの第１到達時間（従って第１伝播
時間）Ｔ１を測定するとともに、送信波の変調点から第
２反射波の変調点までの第２到達時間Ｔ３を測定する。
そして、第２到達時間Ｔ３から第１到達時間Ｔ１を差し
引いて、第２反射波の伝播時間（第２伝播時間Ｔ２）を
求める。

【００７３】従って、本実施例では、前記の様にして求
めた第２伝播時間Ｔ２を用いて、ガス濃度を検出するの
であるが、これは、下記の理由による。例えば、超音波
素子３３のモールド材４２の経時劣化等により、第１伝
播時間Ｔ１は変動する。つまり、第１伝播時間Ｔ１のズ
レ発生要因としては、モールド材４２が硬化したり、吸
水し重くなると圧電素子３８の慣性が変化することによ
り、結果として受信波形の振幅（感度）に影響を与える
のみならず、変調点のズレを伴うことが考えられる。

【００７４】つまり、例えば図９に示す様に、経時劣化
のあるセンサ（ＯＬＤ）と新品のセンサ（ＮＥＷ）とを
比べると、ＯＬＤのセンサでは、第１反射波において、
山数が増加したり振幅が減少するという変化がある。そ
れによりＯＬＤの第１伝播時間Ｔ１’は、ＮＥＷのセン
サの第１伝播時間Ｔ１より長くなってしまう。ところ
が、第２反射波は、同様の傾向で単に素子３３表面で反
射した反射波が反射面３４で反射するだけであるので、
経時劣化の影響を受けず、よって、ＮＥＷのセンサの第
２伝播時間Ｔ２とＯＬＤのセンサの第２伝播時間Ｔ２’
とは同じとなる。

【００７５】従って、前記音速Ｃを算出する際に用いる
伝播時間として、この第２伝播時間を用いれば、経時劣
化の影響を受けないので、常に正しい音速Ｃを測定する
ことができる。これは、経時劣化がある場合でも、第２
伝播時間を測定すれば、第１反射波及び第２反射波の変
調点も共にズレることにより、前記経時変化による変調
点のズレはキャンセルできることになり、経時変化にか
かわらず正しく伝播時間が測定できることになるからで
ある。

【００７６】よって、本実施例では、上述した第２伝播
時間を用いて音速Ｃを算出し、この音速Ｃに対応したセ
ンサ出力を求め、このセンサ出力を図５の様なマップに
当てはめて、ガス濃度を検出するのである。以上説明し
たように、本実施例のガス濃度センサ２５においては、
反射面３４の縁部に凹部３４ａが形成されているので、
反射面３４が平面の場合に比べて、直波の変調点の検出
を正確に行なうことができ、正確な伝播時間Ｔの測定を
することができる。

【００７７】また、音速Ｃを算出する際に、第２伝播時
間を用いているため、経時劣化の影響を受けないで、常
に正しい音速Ｃを測定することができる。尚、上記実施
例では、第２到達時間Ｔ３から第１到達時間Ｔ１を差し
引いて、第２反射波の伝播時間（第２伝播時間Ｔ２）を
求めることとして説明したが、第ｎ＋１到達時間Ｔｎ＋
２から第ｎ到達時間Ｔｎ＋１を差し引いて、第ｎ＋１反
射波の伝播時間（第ｎ＋１伝播時間Ｔｎ＋１）を求める
こととしても良い（ｎは２以上の整数）。但し、伝播距
離が長くなるに従い、反射波は徐々に減衰してゆくの
で、反射回数が増すごとに、測定精度は下がる。

【００７８】また、ある変調点を検出してから次の変調
点を検出するまでの時間（例えば、第１反射波の変調点
から第２反射波の変調点までの時間）を直接に計測して
も良く、この場合も上記実施例と同様の結果が得られ
る。また、変調点での波形は、コンパレータ５４のスレ
ッショルドレベルの設定によっては、再現性が欠ける場
合があるので、その変調点を基準に前何山目かの波形を
検出する等、変調点を目安として使用しても良い。

【００７９】また、上記実施例では、送信波の周波数を
Ｆ１からＦ２に１回だけ周波数変調したが、２回以上の
周波数変調を伴なった送信波としても良いのはいうまで
もない。また、上記実施例では、反射面３４の縁部に反
射面３４と略平行な底面を有する凹部３４ａを設けた
が、反射面３４の縁部と超音波素子３３との距離が、反
射面３４の中央部と超音波素子３３との距離より長くな
るように、反射面３４を構成するものであれば、上記実
施例と同様の効果が得られることはいうまでもない。

【００８０】図１０には、その一例として、図７（ａ）
に示した凹部３４ａと形状が異なる凹部３４ｂが反射面
３４の縁部に形成されたものを示す。図１０に示す様
に、この凹部３４ｂは、反射面３４の縁部近傍の表面か
ら曲面を伴って形成されたもので、この凹部３４ｂにお
ける測定室３２の側壁と接する箇所では、超音波素子３
３との距離が最も長くなっている。そして、この場合
も、上記実施例と同様に、経路２を辿る異経路波が、経
路１を辿る直波より十分に遅れて伝播するため、直波の
変調点の検出を正確に行なうことができ、正確な伝播時
間Ｔの測定をすることができる。（実施例２）次に、実施例２について説明する。

【００８１】尚、前記実施例１と同様な箇所の説明は、
省略又は簡略化する。本実施例は、図１１（ａ）に示す
ように、反射面３４の面積を、超音波素子３３の開口面
の面積（詳しくは、超音波を送受信する部分の面積）よ
り大きくしたことを特徴とする。

【００８２】まず、図１１（ｂ）に示す様に、反射面３
４の面積が、超音波素子３３の開口面の面積より小さい
場合は、経路１を辿る直波と平行に送信された超音波成
分中に、反射面３４近傍で測定室３２の側壁に入射する
異経路波も存在する。この異経路波中には、測定室３２
の側壁に入射した後、この側壁に沿って反射面３４まで
伝播し、反射面３４にて反射された後、直波と平行な経
路を辿って超音波素子３３に到達する成分（つまり、経
路３を辿る成分）も含まれている。この様な成分の伝播
時間は直波の伝播時間に極めて近い。従って、この異経
路波成分は直波の変調点付近で合成され、直波の変調点
の検出が困難になることから、伝播時間Ｔを正確に測定
することができなくなる。

【００８３】一方、反射面３４の面積を、超音波素子３
３の開口面の面積と等しくすれば、直波と平行に送信さ
れた超音波成分中に、測定室３２の側壁に入射する成分
はない。つまり、上記の経路３を辿る異経路波のよう
に、直波の伝播時間に極めて近い時間で伝播する成分は
なくなるため、直波の変調点の検出を正確に行なうこと
ができ、正確な伝播時間Ｔの測定をすることができる。

【００８４】しかし、この場合は、例えば、反射面３４
近傍にて測定室３２の側壁に入射する異経路波が、直波
の変調点近傍で合成される可能性がある。つまり、この
異経路波は、反射面３４近傍にて測定室３２の側壁に入
射した後、この側壁に沿って反射面３４まで伝播する。
そして、反射面３４にて反射された後、測定室３２の側
壁に沿った、直波と平行な経路を辿って超音波素子３３
に向かって伝播するため、直波の伝播時間に比較的近い
時間で伝播するのである。

【００８５】従って、より好ましくは、反射面３４の面
積を、超音波素子３３の開口面の面積より大きくすれば
良い。この場合、図１１（ａ）に示すように、測定室３
２の側壁に入射する異経路波は、経路２を辿る。即ち、
測定室３２の側壁に入射し、この側壁に沿って反射面３
４まで伝播し、反射面３４にて反射された後、超音波素
子３３に到達するまで、再度測定室３２の側壁に沿って
伝播するのである。つまり、この様な異経路波に比べ、
直波の伝播時間は十分に短くなるため、直波の変調点の
検出を一層正確に行なうことができ、伝播時間Ｔの測定
を正しく行うことができる。

【００８６】なお、この場合の反射面３４の縁部に実施
例１で示した凹部３４ａ（３４ｂ）を形成すれば、前記
の異経路波の伝播時間はさらに長くなり、直波の変調点
の検出精度をさらに向上することができる。（実施例３）次に、実施例３について説明する。

【００８７】尚、上記実施例１と同様な箇所の説明は、
省略又は簡略化する。本実施例は、例えば水素ガスのよ
うな分子量が小さいガス成分の濃度を、超音波センサに
より測定する場合を想定している。つまり、ガス濃度の
測定の際に音速が極めて大きくなるような場合において
も、当該ガス濃度を有効に検出することができるよう
に、第１実施例において図６及び図７にて示した、超音
波素子３３の外表面と反射面３４との距離Ｌに相当する
距離と、反射面３４に形成した凹部３４ａの底面と超音
波素子３３の外表面との距離Ｌ’に相当する距離とを規
定したことを特徴とする。

【００８８】まず、本実施例で採用したガス濃度センサ
３２５の構造について説明する。本実施例のガス濃度セ
ンサ３２５は、第１実施例と同様の超音波送受信素子
（素子ＡＳＳＹ）を用いており、具体的には図１３に示
すような構造を有している。

【００８９】ガス濃度センサ３２５の本体であるセンサ
ケース３３１は、金属あるいは樹脂による一体構造とな
っている。センサケース３３１は、駆動・演算用回路３
３２が設置されている回路基板封入部３３３と、直径
（φ）１２ｍｍの長尺状に形成され、長手方向に沿った
側壁に水素ガスを含む吸入空気を流入出させる流入孔３
３４ａ及び流出孔３３４ｂを備えた測定室３３４と、測
定室３３４内で、測定室３３４の長手方向に沿って互い
に対向する２箇所の壁面の一方に設けられた超音波送受
信素子（以下単に「超音波素子」とも称す）３３５と、
測定室３３４内における超音波素子３３５が設けられた
壁面に対向する他方の壁面であり、超音波素子３３５か
ら所定の距離Ｌ３だけ離れ、超音波素子３３５から送信
される超音波を反射させる反射面３３６と、流入孔３３
４ａに連結され、吸入空気をセンサケース３３１外から
測定室３３４内に流入させる流入通路３３７と、流出孔
３３４ｂに連結され、吸入空気を測定室３３４内からセ
ンサケース３３１外に流出させる流出通路３３８と、を
有している。そして、ガス濃度センサ３２５を実際に配
置した状態では、測定室３３４の長手方向は、水平方向
と略平行となり、流入孔３３４ａ及び流出孔３３４ｂ
は、測定室３３４内で下方となる状態（つまり、図１３
において、ｇ方向が略下方となる状態）となっている。
なお、反射面３３６における測定室３３４の側壁と接す
る縁部には、底面が反射面３３６と略平行となるよう凹
部３３６ａが形成され、超音波素子３３５より発信され
た超音波の反射波のうち異経路波が、この凹部３３６ａ
の底面で反射されるように構成されている。

【００９０】そして、本実施例においては、水素ガスの
ような特に分子量が小さいガス成分の濃度を、超音波セ
ンサにより測定する場合、つまり、ガス濃度の測定の際
に音速が極めて大きくなるような場合においても、当該
ガス濃度を有効に検出することができるように、超音波
素子３３５の外表面と反射面３３６の中央部との距離Ｌ
３（以下、単に「距離Ｌ３」とも称す）を６０ｍｍ以上
に構成し、反射面３３６に形成した凹部３３６ａの底面
と超音波素子３３５の外表面との距離Ｌ３’（以下、単
に「距離Ｌ３’」とも称す）を１８ｍｍ以上に構成して
いる（つまり、凹部３３６ａの底面と超音波素子３３５
との距離が、反射面３３６の中央部と前記超音波素子３
３５との距離より１８ｍｍ以上長くなるように構成して
いる）。

【００９１】また、測定室３３４内における流入孔３３
４ａと流出孔３３４ｂとの間の側壁には、凹部３４１が
設けられている。凹部３４１は、直径９ｍｍの真円状に
形成されており、その中央部には、測定室３３４内の吸
入空気の温度を測定するため、サーミスタ等の感温素子
３４２が設けられている。このように、感温素子３４２
が測定室３３４内の側壁に設けられた凹部３４１内に配
置されているため、感温素子３４２が測定室３３４内の
超音波の伝播を妨げることはなく、超音波の伝播時間Ｔ
の測定において測定誤差が生じることはない。

【００９２】尚、回路基板封入部３３３には、駆動・演
算用回路３３２の設置後に回路蓋３４３がなされてい
る。次に、駆動・演算用回路３３２の構成を説明する。
図１４のブロック図に示すように、ガス濃度センサ３２
５の駆動及び演算には、マイクロプロセッサ３５１を用
いる。

【００９３】まず、超音波の送信時には、ドライバ３５
２を用いて超音波素子３３５へ電圧を印加し、超音波の
送信を行なう。また、超音波の受信時には、超音波素子
３３５にて得られた受信波形は、アンプ（増幅器）３５
３で所定の増幅が施され、コンパレータ３５４を通して
整形された波形の信号は、マイクロプロセッサ３５１内
部に導入される。そして、マイクロプロセッサ３５１で
は、タイマー３５５を用いて超音波の送信から受信まで
の伝播時間を測定する。一方、感温素子３４２にて検出
された測定室３３４内における吸入空気の温度情報は、
感温素子３４２から、温度検出回路３５６を介して、マ
イクロプロセッサ３５１内部に導入される。そして、マ
イクロプロセッサ３５１では、上記伝播時間及び吸入空
気温度から、上記第１実施例で示したようなマップを参
照して演算処理を行ない、水素ガスのガス濃度に変換し
た上、Ｄ／Ａコンバータ３５７を介して、ガス濃度の検
出値出力を行なう。

【００９４】次に、図１５〜２０を用いて、超音波素子
３３５の外表面と反射面３３６の中央部との距離Ｌ３、
及び反射面３３６に形成した凹部３３６ａの底面と超音
波素子３３５の外表面との距離Ｌ３’をそれぞれ変化さ
せた場合における、ガス濃度センサの精度への影響を確
認した実験例について説明する。

【００９５】この実験には、図１５に示すような実験装
置を用いた。そして、ガス濃度センサ３２５の測定室３
３４内に水素ガスの濃度を予め設定した被測定ガスを供
給し、ガス濃度センサ３２５にて、この水素ガスの濃度
を測定した。この実験装置では、まず、図１５に示すよ
うに、窒素ガスタンク６１に充填された窒素ガス
（Ｎ₂）、水素ガスタンク６２に充填された水素ガス
（Ｈ₂）、及び水蒸気タンク６３に充填された水蒸気
（Ｈ₂Ｏ）を、各々第１配管７１、第２配管７２、及び
第３配管７３を介して、ガス流量コントロール装置６５
内に流入させた。ガス流量コントロール装置６５では、
３つのタンク７１、７２及び７３からの窒素ガス、水素
ガス、及び水蒸気の供給量が所定の混合比となるように
制御される。そして、このように混合された混合ガス
を、第４配管７４によりガス流量コントロール装置６５
から流出させ、この混合ガスを、流入通路３３７を介し
てガス濃度センサ３２５の測定室３３４内に流入させ、
流出通路３３８を介して測定室３３４外に流出させた。

【００９６】この実験では、このように測定室３３４内
に流入する上記混合ガスを被測定ガスとし、ガス濃度セ
ンサ３２５にて、超音波の伝播時間及び混合ガスの温度
を測定することにより、水素ガスの濃度（Ｘｋ）を検出
し、レコーダ６８を用いてこれらの測定結果を記録し
た。

【００９７】図１６（ａ）及び（ｂ）に、超音波の受信
波形の一例を示す。図１６（ａ）は距離Ｌ３を４５ｍ
ｍ、距離Ｌ３’を２ｍｍに設定した、従来型のガス濃度
センサによる受信波形を示し、図１６（ｂ）は距離Ｌ３
を６０ｍｍ、距離Ｌ３’を１８ｍｍとした本実施例のガ
ス濃度センサによる受信波形を示す。尚、測定条件は、
ガス温が１００℃、ガスの混合比は、水素ガスを５８
％、水蒸気を２４％とし、残りを窒素ガスで調整した。

【００９８】図１６（ａ）から分かるように、距離Ｌ３
を４５ｍｍ、距離Ｌ３’を２ｍｍとした場合には、超音
波素子３３５から送信された超音波の残響成分が反射波
（直波）の前半部に重なっている様子が分かる。このこ
とは、反射波の到達を当該反射波の先頭で検知する場合
に、その先頭の検知が困難となることを示している。

【００９９】さらに、反射波うち直波の後半部において
異経路波が重なっている様子がわかる。このことは、反
射波の到達を、直波の変調点で検知する場合に、その変
調点の検知が困難となることを示している。このような
問題は、被測定ガスとして分子量の小さい水素ガスを対
象としているため、音速が大きいことが原因していると
考えられ、この状態は、図２１（ｂ）にて模式的に示し
た状態に相当する。

【０１００】すなわち、残響成分と反射波とが重なって
しまうのは、超音波の音速が大きく、超音波の伝播時間
（超音波が超音波素子３３５から送信されてから反射面
３３６で反射し、超音波素子３３５にて受信されるまで
の時間）を十分にとることができないためであり、超音
波素子３３５から送信された超音波の残響成分が収束す
る前に、反射波が超音波素子３３５に到達してしまうた
めであると考えられる。

【０１０１】また、直波と異経路波とが重なるのは、超
音波の音速が大きい上、距離Ｌ３’（凹部３３６ａの深
さ）が十分にとられていないため、直波と異経路波との
時間的間隔を十分に開けることができず、直波が超音波
素子３３５に到達し終わる前に、異経路波が到達してし
まうためであると考えられる。

【０１０２】これに対し、図１６（ｂ）に示すように、
距離Ｌ３を６０ｍｍ、距離Ｌ３’を１８ｍｍとした場合
には上記問題は生じていない。図１７には、この状態が
模式的に分かりやすく示されている。すなわち、残響成
分と反射波（直波）、反射波のうち直波と異経路波は、
それぞれ一定の時間間隔をもって検出されている。

【０１０３】残響成分と反射波とが重ならないのは、距
離Ｌ３を６０ｍｍとしたため反射波の伝播距離が長くな
り、残響成分が収束した後に反射波が到達するようにな
ったためである。この結果、残響成分が反射波に重なる
ことがなく、特に反射波の到達を反射波の先頭で検知す
る場合に、反射波の到達を正確に検知することができ
る。

【０１０４】また、直波と異経路波とが重ならないの
は、距離Ｌ３’を１８ｍｍとしたため、直波の伝播距離
と異経路波の伝播距離との差が大きくなり、直波が到達
した後に異経路波が到達するようになったためである。
この結果、異経路波が直波に重なることがなく、特に反
射波の到達を直波の変調点で検知する場合に、その到達
を正確に検知することができる。

【０１０５】次に、図１８〜２０に、距離Ｌ３及び距離
Ｌ３’をそれぞれ変化させた場合における、ガス濃度セ
ンサの出力を測定した結果を示す。図１８は、距離Ｌ３
を４５ｍｍ、５０ｍｍ、及び６０ｍｍの３種類に変化さ
せた場合における、水素投入量（設定濃度）に対するセ
ンサ出力（測定濃度）を示す。

【０１０６】なお、この実験におけるガスの混合比は、
水蒸気を２４％とし、水素ガスを０〜７０％の範囲で変
化させ、残りを窒素ガスで調整した。なお、このときの
距離Ｌ３’は２ｍｍに設定され、この場合の伝播時間の
測定は、送信波及び受信波（反射波）の先頭を基準にし
て行った。

【０１０７】図１８に示すように、距離Ｌ３が６０ｍｍ
の場合には、ガス濃度センサ３２５が、水素ガス
（Ｈ₂）投入量に対して正確な値を出力している。すな
わち、水素ガス濃度を増加させることにより音速が大き
くなっても、ガス濃度センサ３２５は、水素ガス濃度を
正確に出力している。これに対し、距離Ｌ３が４５ｍｍ
及び５０ｍｍの場合には、水素ガス投入量が４０％を越
えるとガス濃度センサ３２５の精度が悪くなり、水素ガ
ス濃度を正確に検出できないことが分かる。

【０１０８】これは、分子量の小さい水素ガス濃度が大
きくなるにしたがって音速が大きくなるため、距離Ｌ３
が４５ｍｍ及び５０ｍｍの場合には、超音波の伝播時間
を十分にとることができず、超音波の送信時に発生した
残響やコントローラのスイッチングノイズが、反射面か
ら返ってきた反射波に重なり、正確な受波が妨げられる
ことが原因していると考えられる。

【０１０９】これに対し、Ｌ３が６０ｍｍの場合には、
超音波の伝播時間を十分にとることができるため、こう
した問題が生じないものと考えられる。なお、本実験に
おいて、距離Ｌ３’を２ｍｍ（１８ｍｍ未満）に設定し
たにもかかわらず、Ｈ₂の高濃度域においても正確な検
出値が得られたのは、伝播時間の測定を変調点を基準に
して行わず、先頭を基準にして行ったため、直波の後半
部に異経路波が重なっても測定上の問題が生じないから
である。

【０１１０】図１９は、距離Ｌ３を６０ｍｍで一定と
し、距離Ｌ３’を２ｍｍ、９ｍｍ、１８ｍｍ、及び２５
ｍｍの４種類に変化させた場合における、水素ガス投入
量に対するセンサ出力についての測定結果を示す。な
お、この実験におけるガスの混合比は、上記と同様、水
蒸気を２４％とし、水素ガスを０〜７０％の範囲で変化
させ、残りを窒素ガスで調整した。また、この場合の伝
播時間の測定は、送信波及び受信波（反射波）の変調点
を基準として行った。

【０１１１】図１９に示すように、距離Ｌ３’が１８ｍ
ｍ及び２５ｍｍの場合には、ガス濃度センサ３２５が、
水素ガス投入量に対して正確な値を出力していることが
分かる。これに対し、距離Ｌ３’が２ｍｍ及び９ｍｍの
場合には、水素ガス投入量が約６０％を越えるとガス濃
度センサ３２５の精度が悪くなり、水素ガス濃度を正確
に検出できないことが分かる。

【０１１２】これは、上記したように、水素ガス濃度が
大きくなるにしたがって音速が大きくなるため、距離Ｌ
３’が２ｍｍ，９ｍｍと小さい場合には直波と異経路波
の伝播時間の差を十分にとることができないため、異経
路波が直波の変調点に重なってしまい、正確な受波が妨
げられるためであると考えられる。これに対し、距離Ｌ
３’が１８ｍｍ，２５ｍｍの場合には、直波と異経路波
の伝播時間の差を十分にとることができるため、こうし
た問題が生じないものと考えられる。

【０１１３】このように、本実施例では、伝播経路であ
る測定室３３４の伝播距離を十分に長く取ることにより
超音波の伝播時間を延ばし、受信に対して送信の影響を
受けないように配慮することで、超音波の伝播時間を正
確に測定している。この結果、例えば水素ガス等の分子
量の小さいガス濃度の測定に、本実施例のガス濃度セン
サを有効に適用させることができる。

【０１１４】次に、図２０に、図１９の比較例として、
距離Ｌ３を６０ｍｍで一定とし、距離Ｌ３’を２ｍｍ、
９ｍｍ、１８ｍｍ、及び２５ｍｍの４種類に変化させた
場合における、ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）投入量に対するセン
サ出力についての測定結果を示す。なお、本実験条件
は、水素ガスをブタンに置換したこと以外は上記実験条
件と同様である。

【０１１５】ブタンは、水素ガスに比べて分子量が大き
いため、その濃度が大きくなっても音速がそれほど大き
くなることはない。このため、図２０に示すように、距
離Ｌ３’が２ｍｍと最小の場合においても、ブタンの高
濃度域において異経路波が直波に重なることはなく、そ
の濃度が正確に検出されている。

【０１１６】ただし、ブタン投入量が１０％以下の低濃
度の場合には、距離Ｌ３’が２ｍｍのものについて、測
定値に若干の誤差が見られる。これは、上記水素ガスの
場合とは逆に、音速が小さいため超音波の進行速度が遅
く、反射面において直波の後半部が反射し終わる前に異
経路波が反射し、直波に重なってしまうためであると考
えられる。

【０１１７】このように、音速が比較的小さい場合であ
っても、距離Ｌ３’をある程度とることが好ましい。以
上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上
記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採る
ことができる。

【０１１８】例えば、上記実施例１及び２では、周波数
変調を伴なった超音波を送信したが、逆位相成分を入れ
た超音波を送信してもよい。例えば、図１２（ａ）に示
す様に、逆位相成分（１８０度）を導入した超音波を送
信すれば、送信波の逆位相ポイントには、信号波形が表
れない。

【０１１９】そして、図１２（ｂ）に示す様に、受信波
である反射波にも、逆位相ポイントに対応して信号波形
がない箇所が表れる。従って、逆位相成分が導入された
点（変調点）を、上記実施例の周波数変調点と同様に、
測定基準とすることで、伝播時間を測定し、ガス濃度を
測定することができる。

【０１２０】具体的には、例えば、第２反射波の逆位相
ポイントが表れる時間から、第１反射波の逆位相ポイン
トが表れる時間を差し引いて、第２反射波の伝播時間
（第２伝播時間）を正確に求めることができるので、こ
の第２伝播時間に基づいて、ガス濃度を測定することが
できる。

【０１２１】また、実施例３では水素ガス濃度の検出を
対象とし、図１３の形態のガス濃度センサについて、距
離Ｌ３を６０ｍｍ以上とし、距離Ｌ３’を１８ｍｍ以上
とする構成とした。しかしながら、これらの距離の数値
限定は、図１３に示した形態のガス濃度センサに限ら
ず、水素ガス濃度を検出対象する場合には、他の形態の
ガス濃度センサに適用することも可能である。例えば、
実施例１及び実施例２に適用した図６及び図７に示す態
様のガス濃度センサについて、距離Ｌを６０ｍｍ以上と
し、距離Ｌ’を１８ｍｍ以上とする構成としてもよい。

【０１２２】また、実施例３では、被測定ガスとして水
素ガスを例に挙げたが、本実施例の構成は、水素ガス以
外にも分子量の小さい気体であれば、その効果を有効に
発揮することができる。さらに、水素ガスほど分子量が
小さくないガスについても、Ｌ３，Ｌ３’，Ｌ、Ｌ’の
最適値がそれぞれ存在すると考えられるため、これらを
実験により求めてガス濃度センサの形状を規定してもよ
いことはもちろんである。

【０１２３】また、上記構成は、エンジン等の内燃機関
に限らず適用が可能であることはいうまでもない。例え
ば、燃料電池の改質ガス中の水素ガス濃度の測定等に、
本実施例のガス濃度センサを効果的に適用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のガス濃度センサの制御装置を含む
システム全体を示すシステム構成図である。

【図２】ガス濃度センサを示し、（ａ）はセンサ全体
を示す説明図、（ｂ）は超音波送受信素子を示す説明図
である。

【図３】ガス濃度センサの電気的構成を示すブロック
図である。

【図４】ガス濃度センサの基本原理を示す説明図であ
る。

【図５】センサ出力とブタン濃度との関係を示すグラ
フである。

【図６】（ａ）は１回の周波数変調を伴った送信波形
を示した図、（ｂ）は超音波素子と反射面との距離を示
す説明図である。

【図７】（ａ）は反射面３４に凹部３４ａがある場合
の送受信波の状態を示した図、（ｂ）は反射面３４が平
面である従来のガス濃度センサの場合の送受信波の状態
を示した図である。

【図８】（ａ）は送受信切り替えスイッチによる信号
を示すタイミングチャート、（ｂ）は送受信波形を示す
タイミングチャート、（ｃ）はコンパレータ出力を示す
タイミングチャートである。

【図９】センサの新品と劣化品における超音波の送受
信波形を示すタイミングチャートである。

【図１０】反射面３４に変形例としての凹部３４ｂが
ある場合の送受信波の状態を示した図である。

【図１１】（ａ）は反射面３４の面積を超音波素子３
３の反射面３４側の面の面積より大きくした場合の送受
信波の状態を示した図、（ｂ）は反射面３４の面積を超
音波素子３３の反射面３４側の面の面積より小さくした
場合の送受信波の状態を示した図である。

【図１２】（ａ）は１点の逆位相成分を導入した送信
波形を示した図、（ｂ）は送受信波形を示すタイミング
チャートである。

【図１３】第３実施例にかかるガス濃度センサの断面
図である。

【図１４】ガス濃度センサの電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【図１５】実験例で用いた実験装置の構成を示す説明
図である。

【図１６】（ａ）は距離Ｌ３を６０ｍｍ未満に構成し
た場合の送受信波の状態を示した図、（ｂ）は距離Ｌ３
を６０ｍｍ以上、かつ、距離Ｌ３’を１８ｍｍ以上に構
成した場合の送受信波の状態を示した図である。

【図１７】距離Ｌ３を６０ｍｍ以上、かつ、距離Ｌ
３’を１８ｍｍ以上に構成した場合の送受信波の状態を
模式的に示した図である。

【図１８】距離Ｌ３を変化させた場合における、水素
投入量（設定濃度）とセンサ出力（測定濃度）との関係
に関する実験結果を示したグラフである。

【図１９】距離Ｌ３’を変化させた場合における、水
素投入量（設定濃度）とセンサ出力（測定濃度）との関
係に関する実験結果を示したグラフである。

【図２０】距離Ｌ３’を変化させた場合における、ブ
タン投入量（設定濃度）とセンサ出力（測定濃度）との
関係に関する実験結果を示したグラフである。

【図２１】距離Ｌ３を６０ｍｍ未満、かつ、距離Ｌ
３’を１８ｍｍ未満に構成した場合の送受信波の状態を
模式的に示した図であり、（ａ）は音速が小さい場合の
送受信波を、（ｂ）は音速が大きい場合の送受信波を、
それぞれ示す。

【図２２】距離Ｌ３を６０ｍｍ以上、かつ、距離Ｌ
３’を１８ｍｍ未満に構成した場合の送受信波の状態を
模式的に示した図であり、（ａ）は音速が小さい場合の
送受信波を、（ｂ）は音速が大きい場合の送受信波を、
それぞれ示す。

【符号の説明】

１…エンジン、２１、２２、２３、２４、２５、３２５…ガス濃度セン
サ、３１、３３２…駆動・演算用回路（ガス濃度検出手
段）、３２、３３４…測定室、３３、３３５…超音波送受信素子（超音波素子）、３４、３３６…反射面、３６、３３７…流入孔（入口）、３７、３３８…流出孔（出口）

フロントページの続き (72)発明者伴野圭吾愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者石田昇愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者大島崇文愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 2G047 AA01 BC02 BC15 EA10 GB26 GG08 GG19 GJ19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定ガスを流入出させる流入孔及び流
出孔を備えた測定室と、該測定室内で互いに対向する２カ所の壁面の内の一方に
設けられ、他方の壁面に向けて超音波を送信すると共
に、該壁面を反射面として反射してくる超音波の反射波
を受信可能な超音波素子と、該超音波素子に対して、少なくとも一つの変調点を有す
る超音波を送信させると共に前記反射波を受信させ、前
記超音波の送信時から前記反射波の受信までの伝播時間
を前記変調点を利用して計測し、該伝播時間に基づい
て、前記被測定ガス中の特定ガスのガス濃度を検出する
ガス濃度検出手段と、を備えるガス濃度センサにおいて、前記測定室を、前記反射面の縁部と前記超音波素子との
距離が、前記反射面の中央部と前記超音波素子との距離
より長くなるよう形成したことを特徴とするガス濃度セ
ンサ。
【請求項２】被測定ガスを流入出させる流入孔及び流
出孔を備えた測定室と、該測定室内で互いに対向する２カ所の壁面の内の一方に
設けられ、他方の壁面に向けて超音波を送信すると共
に、該壁面を反射面として反射してくる超音波の反射波
を受信可能な超音波素子と、該超音波素子に対して、少なくとも一つの変調点を有す
る超音波を送信させると共に前記反射波を受信させ、前
記超音波の送信時から前記反射波の受信までの伝播時間
を前記変調点を利用して計測し、該伝播時間に基づい
て、前記被測定ガス中の特定ガスのガス濃度を検出する
ガス濃度検出手段と、を備えるガス濃度センサにおいて、前記測定室の前記反射面の面積を、前記超音波素子の開
口面の面積以上にしたことを特徴とするガス濃度セン
サ。
【請求項３】前記ガス濃度検出手段は、前記超音波素子に、少なくとも１回の周波数変調を伴っ
た超音波を送受信させ、前記超音波の変調点を利用して求めた伝播時間に基づい
て、前記特定ガスのガス濃度を検出するものであること
を特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度セン
サ。
【請求項４】前記ガス濃度検出手段は、前記超音波素子に、少なくとも１点の逆位相成分を入れ
た超音波を送受信させ、前記超音波の変調点を利用して求めた伝播時間に基づい
て、前記特定ガスのガス濃度を検出するものであること
を特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度セン
サ。
【請求項５】前記ガス濃度検出手段は、前記超音波素子より超音波を送信させ、該超音波を前記
反射面にて反射させた後、前記超音波素子側にて反射さ
せて再度反射面にて反射させ、最初の反射波より後の反
射波の受信までの伝播時間を計測し、該伝播時間に基づ
いて、前記特定ガスのガス濃度を検出するものであるこ
とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガス濃
度センサ。
【請求項６】前記特定ガスが、内燃機関用エンジンの
蒸発燃料であることを特徴とする請求項１〜５いずれか
に記載のガス濃度センサ。
【請求項７】被測定ガスを流入出させる流入孔及び流
出孔を備えた測定室と、該測定室内で互いに対向する２カ所の壁面の内の一方に
設けられ、他方の壁面に向けて超音波を送信すると共
に、該他方の壁面を反射面として反射してくる超音波の
反射波を受信可能な超音波素子と、該超音波素子に対して、超音波を送信させると共に前記
反射波を受信させ、前記超音波の送信時から前記反射波
の受信までの伝播時間を、前記超音波の波形の特定位置
を検出することにより計測し、該伝播時間に基づいて、
前記被測定ガス中の特定ガスのガス濃度を検出するガス
濃度検出手段と、を備えるガス濃度センサにおいて、前記測定室を、前記反射面の中央部と前記超音波素子と
の距離が６０ｍｍ以上となるように形成したことを特徴
とするガス濃度センサ。
【請求項８】前記測定室は、前記反射面の縁部に、該反射面に平行な底面を有する凹
部が設けられ、該凹部の底面と前記超音波素子との距離が、前記反射面
の中央部と前記超音波素子との距離より１８ｍｍ以上長
くなるように形成されたことを特徴とする請求項１〜７
のいずれかに記載のガス濃度センサ。
【請求項９】前記特定ガスが、水素ガスであることを
特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のガス濃度セ
ンサ。